矿井突水及其预测评价

第九章矿井突水及其预测评价第一节采掘活动对顶地板岩层的破坏及顶板突水评价第二节采掘活动对底板岩层的破坏及地板突水预测评价第三节突水预测实例第一节采掘活动对顶板岩层的破坏及顶板突水评价

二、覆岩破坏对顶板突水的影响及其评价一、采动条件下覆岩破坏的规律凡因井巷、工作面与含水层、被淹井巷、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故,称为矿井突水(简称突水)。矿井突水分为掘进突水与回采突水;按突水点与开采煤层所处的相对位置,可分为顶板突水、底版突水与煤柱突水;按突水相对于采掘工程进行的时间可分为即时突水与滞后突水等。矿井水害类型通常按水源的不同,分为地表水体水害、松散层孔隙水水害、老空水水害、薄层灰岩水水害、厚层灰岩水水害与砂岩裂隙水水害等六种。依据突水点的水量大小,可将突水点分为小突水点(Q≤60m３/h)、中等突水点(Q=60m３/h～600m３/h)、大突水点(Q=600m３/h～1800m３/h)和特大突水点(Q≥1800m３/h)。(一)“三带〞的形成及其形态特征采煤后,上覆岩层要发生破坏和位移,并具有明显的分带性.在采用走向长壁全部冒落法开采缓倾斜中厚煤层时,覆岩的破坏会出现三带图9-1覆岩破坏分带示意图Ⅰ-冒落带；Ⅱ-裂隙带；Ⅲ-弯曲带；a-垂向裂隙；b-离层裂隙；c-地表裂隙；1-不规则冒落带；2-规则冒落带1．冒落带煤层采出后,上覆岩层失去平衡,由直接顶岩层开始逐层向上冒落,直到开采空间被冒落岩块充满为止。下部,岩层呈不规那么的岩块杂乱堆积于采空区内,称不规那么冒落带；向上冒落岩块渐大,甚至过渡为似层状断块，不连续地覆盖于不规那么冒落带之上,称规那么冒落带。冒落带最高点至回采上边界的垂直高度称为冒落带高度。冒落带内岩块之间空隙多,连通性强,是水体和泥砂溃入井下的通道。冒落岩石由于碎胀,体积增大，增大的比率称为碎胀系数。煤层直接顶岩性愈坚硬、煤层采厚愈大,碎胀系数愈大；反之那么小。厚煤层分层开采时,冒落岩块因受重复破坏,岩块碎度增大,碎胀系数减小煤层顶板岩石自由冒落后,冒落带上方的岩层继续下沉弯曲,当其弯曲超过本身强度时,便产生离层裂隙或垂直张裂隙,以至断裂。这一过程逐层向上开展,直到上覆岩层整体下沉为止,这局部称为裂隙带。裂隙带导水能力较强,当其涉及水体时可将水导入井下,但一般不导砂。一般将冒落带和裂隙带称为冒裂带或导水裂隙带。裂隙带最高点到回采上边界的垂直距离,称为冒裂带高度或导水裂隙带高度。导水裂隙带发育的规律及其最大高度确实定,是地表水体及富含水层下采煤的重要工作之一,也是决定防水煤柱尺寸的主要依据。2.裂隙带3．弯曲带弯曲带是指导水裂隙带顶界到地表的那局部岩层.呈整体移动,又称整体移动带。其上部很少出现离层裂隙,其下部可能出现离层裂隙,但仅局部充水,不与导水裂隙带连通。弯曲带上方的地表,一般会形成下沉盆地,盆地边缘出现张裂隙,其深度约3m～5m,一般不超过10m,上宽下窄,直至闭合消失。因此,弯曲带具有隔水保护层的作用。需要指出,“三带〞仅对层状岩层有意义,岩浆岩不存在“三带〞。“三带〞发育是否完整取决于采深,采深较小时(一般小于100m)“三带〞发育不完整。弯曲带煤层倾角不同,“三带〞(特别是冒落带、裂隙带)的形态有所不同。由于随着煤层倾角的增大,在倾斜方向上产生冒落岩块向下滚动加剧,采空区下部易被充填,从而限制了冒落带、裂隙带下边缘向上开展，而采空区上部,煤柱片帮、开裂、冒落,使冒落带、裂隙带的上边缘大大超过采空区上边界,冒落带、裂隙带的高度随之增大。当煤层倾角很大，顶、底板岩性坚硬，煤层厚且松软时，那么可能沿煤层抽冒，高度可超过百m，形成地表塌陷。如徐州新河一井南冀急倾斜502工作面开采山西组7层煤.煤厚3.5～10m,倾角由90º倒转至75º，顶底板各有一层5m～14m的坚硬砂岩，随着支架的下放和超限采煤，造成煤层抽冒，5788m3冲积层黄泥溃入井下，地面出现一个直径42m～59m的大塌陷坑。图9-2冒落带、裂隙带的形态特征a-水平、缓倾斜煤层；b-倾斜煤层；c-急倾斜煤层1．覆岩性质及组合特征2．煤层赋存及开采因素〔二〕影响冒落带、裂隙带开展的因素1．覆岩性质及组合特征类型特点坚硬一坚硬型一般不易冒落、不易弯曲，但冒落后岩块大，碎胀系数大,冒落充分,冒落带、裂隙带均发育较高，冒落带高度可达采厚的5～6倍，裂隙带高度可达采厚的18～28倍。软弱—软弱型易弯曲、冒落、下沉快、幅度大。直接顶冒落快，采空区极易被岩块充满而中止冒落，冒落带发育不充分，加之软弱不利于裂隙发育，两带高度均较低，冒高约采厚的2～3倍，裂高约为采厚的9～12倍。软弱—坚硬型直接顶易冒落，老顶不易弯曲下沉。若直接顶薄，则冒落不充分，冒高、裂高均小；若直接顶厚，则冒落充分，冒高可达采厚的8～10倍，裂高约为采厚的13～16倍。坚硬—软弱型直接顶冒落后，老顶很快弯曲下沉，占据采空区上部空间，冒落、裂隙发育都不充分，两带高度均较低。煤层开采是覆岩开裂破坏的根本原因。采厚、分层数、回采垂高、走向长度、开采方法、顶板管理方法、延续时间和地质构造等因素都对冒落带、裂隙带的发育有重要影响。2.煤层赋存及开采因素1〕采厚开采水平、缓倾斜及倾斜煤层时，开采单一薄煤层及中厚煤层或厚煤层第一分层所形成的导水裂隙带高度与采厚根本呈直线关系；开采急倾斜煤层时，在回采垂高、走向长度、顶板岩性大体相同的条件下，导水裂隙带高度与采厚也大体呈近似直线关系(图9-3b)。图9-3导水裂隙带高度与采厚关系图急倾斜煤层分阶段开采时，在覆岩中硬、稳定性较好的情况下，一次连续回采的阶段垂高2〕分层数及回采垂高水平至倾斜的煤层分层开采或近距离煤层群重复采动条件下，裂隙高度随分层数增加而递减(图9-4)，与开采总厚呈近似分式函数关系(图9-5)。越大，覆岩破坏高度越高。当阶段垂高增至某一数值后〔如淮南矿区为60m〕，裂隙带高度的增加比率减小，阶段垂高继续增大，裂隙带高度即不再增加(图9-6)。图9-4裂高采厚比与开采分图9-5水平至倾斜煤层分层开采时中层数的关系图

硬覆岩裂隙带高度与累计采厚的关系曲线

1-中硬覆岩;2-软弱覆岩

1-第一分层；2-第二分层；3-第三分层4-第四分层2)分层数3〕开采面积开采倾斜、缓倾斜煤层时，裂隙随采区扩大而向上开展。当采区扩大到一定范围，裂隙带高度达最大值后，采区继续扩大，裂隙带根本上不再开展。当岩层移动趋于稳定后，原有的冒裂隙带将逐渐趋于压缩状态，裂隙带高度甚至会随之降低。开采急倾斜煤层时，如阶段垂高和采厚不变，走向长度小于100m，裂高与走向长度大致呈近似的直线关系；假设走向长度超过100m，冒落带、裂隙带高度增加的幅度很小。假设走向长度过小〔如30m～50m〕，出煤量不加控制时，冒落带、裂隙带高度会随阶段垂高的增加而急剧增大，甚至直达地表。图9-6开采急倾斜煤层时裂隙带高度与阶段垂高的关系曲线4〕地质构造由于构造破碎带岩石的力学强度降低，在采动条件下会加剧冒落带、裂隙带的开展。通常，采空区上部的高角度张性或导水断层会引起裂隙带沿断层向上开展，甚至抽冒使地面形成塌陷坑。位于正常冒落带、裂隙带以上的断层，可能会使冒落带、裂隙带开展至该断层(图9-7)。位于正常冒裂带范围内倾角比较平缓的断层，一般对冒落带、裂隙带糕度的影响不大(图9-8)。图9-7断层位于导水裂隙带范围外图9-8断层位于导水裂隙带范围内正确选择采煤方法和顶板管理方法是控制两带高度及覆岩沉降的重要手段。选择采煤方法时，应有利于限制导水裂隙带高度，使上覆岩层形成均衡破坏。应控制工作面长度、采厚和阶段垂高不宜过大，分层采厚应小些，分层间接续宜采用间歇式回采等；对缓倾斜煤层宜采用单一长壁全部垮落法和倾斜分层长壁下行垮落法采煤；对急倾斜煤层宜采用走向推进的伪倾斜柔性掩护支架法〔阶段垂高30～35m〕或水平分层人工假顶下行垮落法采煤。局部集中超限采煤，如挑煤皮、落垛式、仓房式及沿倾斜下放等非正规采煤方法易于破坏上方预留的煤柱，引起煤层抽冒，形成塌陷漏斗。常用顶板管理方法有：全部陷落法、全部充填法和煤柱支撑法〔条带开采〕等。采用全部充填法和煤柱支撑法管理顶板，有利于控制两带高度的开展。

5〕采煤方法及顶板管理覆岩破坏高度的开展是个时间函数。当裂隙高度未达最大值时，其随时间的延长而增大。导水裂隙带到达最大高度的时间与覆岩性质有关。一般中硬岩层为回采放顶后1～2个月；坚硬岩层长些；软弱岩层短些，约0.5～1个月。裂隙高度达最大值后，覆岩仍在移动。覆岩坚硬时，导水裂隙带高度一般不再随时间变化；对于中硬或软弱覆岩，裂隙带高度随时间延续略有减小。厚煤层分层开采时，随分层数增加，裂隙带高度达最大值的时间逐层加快。6〕覆岩破坏的延续时间二.覆岩破坏对顶板突水的影响及其评价“三带〞中的冒落和裂隙带是采动破坏形成的人工导水通道。冒落带、裂隙带高度大于地表水或含水层等水体与工作面之间的距离时，就会引起顶板突水。评价覆岩破坏是否会引起顶板突水，关键在于确定冒落带、裂隙带的最大高度。方法有:〔一〕类比法选用地质条件〔煤层倾角、覆岩性质及组合结构等〕、开采活动〔采厚、分层或回采垂高、采煤方法和顶板管理方法等〕相似矿区的数据，通过比照分析比较确定两带高度。〔二〕经验公式法表9-1冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式煤层倾角(°)岩石抗压强度kg/cm2岩石名称顶板管理方法冒落带最大高度（m）导水裂隙带（包括冒落带最大高度）（m）0～54400～600辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等全部陷落He=（4～5）M200～400砂质页岩、泥质砂岩、页岩等全部陷落He=（3～4）M＜200风化岩石、页岩、泥质砂岩、粘土岩、第四系和第三系松散层等全部陷落He=（1～2）M55～85400～600辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂质页岩等全部陷落

＜400砂质页岩、泥质砂岩、页岩、粘土岩、风化岩石、第三系和第四系松散层等全部陷落He=0.5M注：1．表中M—累计〔m〕；n—煤层层数;m—煤层厚度〔m〕；h—采煤工作面小阶段垂高〔m〕。2．冒落带、导水裂隙带最大高度，对于缓倾斜和倾斜煤层，系指从煤层面算起的法向高度，对于及倾斜煤层，系指从开采上算起的垂向高度。3．岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。

当煤层底板下存在承压含水层时，采掘破坏了底板隔水层的天然受力状态，底板承压水在静水压力和矿山压力的作用下破底涌入矿井，造成底板突水。第二节采掘活动对底板岩层的破坏及底板突水预测评价一、影响底板突水的因素二、底板突水的评价方法

1．含水层富水性及水压含水层的富水性是底板突水发生的内因，决定着突水量的大小及其稳定性；水压那么是底板突水的根本动力。在煤层底板隔水层条件相同时，水压愈大，底板突水的机率愈高。在我国受奥灰或茅口灰岩水影响的矿井，随着矿井的延深，底板承受的水压愈来愈大，矿井受底板水的威胁也随之增大。

一、影响底板突水的因素2．隔水层是底板突水的抑制因素厚度和岩性组合：当其它条件相同时，隔水层的越大不易发生底板突水。还与其岩性及组合关系有关。研究说明，柔性岩石有利于阻止水的渗入；刚性岩层抵抗矿压破坏的能力较强；刚柔相间的底板有利于抑制底板突水。3．断裂构造统计，矿区80%～90%以上的突水与断层有关。作用表现为导水通道，降低底板强度，缩短煤水间距，减少隔水层厚度。4．矿压破坏是底板突水的诱发因素矿压主要是在隔水层上部形成矿压破坏带，直接影响隔水层的有效厚度，为突水的发生创造条件。天然相对平衡状态，被矿压破坏，发生底板突水。矿压对隔水层的破坏有时间滞后效应：一般回采工作面诱发时间较短，突水前常有工作面压力增大或产生底鼓、裂缝的过程，或突水点位于采空区内；掘进工作面那么可能很长，掘进后1～2年或更长的时间；有些断层被巷道揭露很长时间，甚至被巷道几度穿越均未发生突水，但经过一定时间后突然发生涌水。图9-9随采煤工作面推进底板受力过程示意图矿压对底板的破坏可简述为，随着回采工作面推进，其底板任一断面都要经受采前超前支承压力而压缩、采后悬顶减压而膨胀及后期顶板冒落再压缩的过程图9-10采煤工作面底板受力分布及剪切带分布图a-平面图；b-A-A剖面图压缩一膨胀一再压缩的过程，以离层形式导致层间裂隙的产生；支承煤体和采空区的增压和采后悬顶局部的减压及岩体反向位移的剪切作用，沿采空区周边形成剪切破坏带〔图9-10〕；采空区底板浅部出现的拉应力和横向位移，可导致薄弱带出现竖向裂缝。这些裂隙的形成是矿压破坏底板和诱发底板突水的重要原因。矿压破坏取决于破坏深度。愈大，隔水层有效厚度的减少愈甚，诱发底板突水的可能性愈大；反之那么小。矿压破坏的深度的大小与回采工作面尺寸、开采方法、煤层厚度及倾角、开采深度及顶底板的岩性及结构等因素有关，其中最主要的是工作面斜长。根据假设干工作面的测试资料，矿压对底板隔水层的破坏深度一般为6～14m。山东矿业学院特殊开采所根据全国11个采面的测试成果，总结出底板破坏深度与采面斜长关系的经验公式为h1=1.86+011L〔9-1〕式中h1—底板破坏破坏深度，m；L—工作面斜长，m。根据矿压对底板的破坏，矿压诱发采场底板突水有以下规律：1〕在时间上，底板突水多发生在采面初次来压或周期来压时，尤其以初次来压时居多，其原因是此时控顶距及悬顶面积大。2〕在空间上，底板突水在走向上多发生在初次来压或周期来压步距附近；在倾斜方向，常有靠近机巷或回风巷附近，其原因是这些位置恰好是剪切带的部位。3〕从工作面推进速度看，推进慢比推进快易突水，停采线附近也易突水，其原因是剪切带有充分的时间开展、延深，从而加剧对底板的破坏。图9-11焦作矿区地应力与突水关系图1—月震次数曲线；2—月突水次数曲线地应力是导致底板突水的附加力源。地震活动对唐山矿区矿井充水的影响。从焦作矿区1960～1970年矿区突水与地震统计资料的比照分析也可发现，二者之间有一定的联系〔图9-11〕。5地应力上述因素〔含水层富水性及水压、隔水层、断裂构造、矿压破坏、地应力〕并非同时作用于每一个突水点，更不可能起同等重要的作用。概括地说，水压大小和隔水层的稳定性是决定底板能否突水的一对根本矛盾。水压为主，底板下没有承压含水层或承压力水的水头低于煤层底板，隔水层再不稳定也不会造成底板突水；如果底板下含水层具有一定的水压，隔水层的稳定性就成了控制底板突水的决定因素。当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡时，构造〔主要是断裂〕和矿压的作用将促使矛盾由不突水向突水转化。当自然条件下的水压与受构造影响削弱的隔水层稳定性处于相对平衡状态时，矿压那么成为诱发底板突水的主要因素。地应力大时，更会加剧底板突水的发生。二、底板突水的评价方法1．斯列萨列夫公式据静定梁理论推导出评价巷道底板突水时计算平安水头的公式，〔9-2〕式中H安—平安水头，即巷道隔水层底板所能承受的极限水头值，10-2MPa；Kp—底板隔水层抗张强度，10-2MPa；t—巷道底板隔水层实际厚度，m；L—巷道宽度，m；γ—巷道底板隔水层密度。

图9-12巷道安全水头计算示意图由式9-2导出抵抗某一水压的隔水底板平安厚度的算式：〔9-3〕式中t安—平安厚度，既巷道底板抵抗实际水头的极限厚度，m；H—作用于巷道底板的实际水压，10-2MPa。假设H安>H实或t安<t实，说明巷道底板平安，一般不会发生底板突水；假设H安<H实或t安>t实，说明底板不平安，可能底板突水。

2.突水系数法突水系数是指单位隔水层厚度所所承受的水压，又称水压比，其表达为：〔9-4〕式中P—作用于底板的水压，MPa；M—抵板厚度，m.用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数Ts。临界突水系数Ts可定义为每m隔水层厚度所能承受的最大水压。假设T<Ts，说明底板稳定，突水可能小；反之，T>Ts说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。

临界突水系数是对矿区大量突水资料统计分析后得出的，依突水资料丰富矿区总结出的Ts值见表9-2

我国一些矿区的临界突水系数矿区临界突水系数Ts（MPa/m）矿区临界突水系数Ts（MPa/m）峰峰、邯郸0．066～0．067淄博0．060～0．140焦作0．060～0．100井陉0．060～0．150资料认为，底板受构造破坏块段Ts一般<0.060PMa/m，正常块段Ts不大于0.150MPa/m。考虑矿压对底板破坏，隔水层的有效厚度会减小，煤炭科学研究总院西安分院修改式9-4为：

式中Cp—矿压破坏深度，m。

。Ts是通过长期生产实践总结出的一种规律性认识，在对评价与预测矿底板突水起到了积极的作用。但存在问题：由于突水点的80%～90%发生在断层带及其附近，由这些突水资料总结出的临界突水系数值用于评价和预测构造破坏地段的底板突水较为可靠，评价或预测正常地段底板突水那么偏于保守；根据对大量突水资料的统计分析，临界突水系数随采深的增加，在浅部是一条直线，深部那么变为曲线，且Ts的增量随采深增加而变大，因此用浅部突水资料来预测或评价深部突水也会偏于保守；在实际突水资料缺乏或较少的矿区，临界突水系数值难以确定。在实际应用中，因受专门水文地质孔数量的限制和灰岩含水层岩溶发育和富水性的极不均一，在通过内插法编制的等水压线图上确定的水压值很难满足精度要求。

3．“下三带〞确定方法山东矿业学院特殊开采所对大量观测资料统计分析后认为，采动矿压对煤层底板的破坏存在着“三带〞，即：自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带。底板导水破坏带是指采动矿压作用，使底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带。该带的厚度即为“底板导水破坏深度〞。完整岩层带：位于底板导水破坏带与承压水导高带之间，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，故称为完整岩层带。因其是阻抗底板突水的关键，故又称为有效保护层带。承压水导高带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，也称原始导高。在开采后还可以再导升，但上升值很小。由于隔水层中裂隙发育的不均匀性，不同矿区或同一矿区不同地段的底板岩性及地质构造不同，原始导高大小不一，少数很高，甚至接近煤层，有些无原始导高带。设煤层隔水底板总厚度为h，底板导水破坏带、完整岩层带与承压力水导高带的厚度依次为h1、h2和h3，那么

h2=h-〔h1+h3)〔9-6〕当h>h1+h3时，那么保护层存在；当h<h1+h3时，那么保护层不存在。在计算保护层厚度时，h1可由式(9-1)求得，h3通常需通过物探资料提